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1、,现代焊接与连接工程学Modern Welding and Joining Engineering,2,第五章 计算机在焊接工程中应用 Applications of Computer in Welding Engineering,主要参考书：1何德孚，焊接与连接工程学导论，上海交通大学出版社，上海，1998。2中国机械工程学会焊接学会，焊接手册（第三卷），机械工业出版社，北京，2008。3王嘉麟等，球形储罐焊接工程技术，机械工业出版社，北京，2000。4顾钰喜，特种工程材料焊接，辽宁科学技术出版社，沈阳，1998。5.陈丙森 主编，计算机辅助焊接技术，机械工业出版社，北京，1999。6.先进
2、焊接技术制造丛书，机械工业出版社，2000,3,5.1 综述 制造业中已经将计算机技术应用到产品设计（CAD）、工艺设计（CAPD）、制造（CAM）、信息管理系统（MIS）、办公自动化（OA）等各个领域，将这一系列的计算机辅助技术加以集成，就构成了当今的计算机集成制造系统（CIMS）。,1990s年代初，国际焊接学会（IIW）将这类应用概况为“计算机辅助焊接技术”（Computer Aided Welding,CAW）。,4,计算机辅助焊接技术应用领域,5,焊接工程应用软件的IIW分类法,6,5.2 焊接专家系统及典型应用,焊接专家系统的研究始于上世纪80年代中期，最早见报道的是美国科罗拉多矿
3、业学院CAS与美国焊接学会AWI联合开发的焊接材料选择系统Weldselector，英国、日本、德国及其它一些国家均相继开展了这方面的工作。,由于焊接领域知识显著的复杂性、经验性，焊接被认为是最适合于开发专家系统的领域之一。目前的焊接专家系统研究已触及焊接生产的所以主要方面，其成果已达百余种，主要集中在工艺制定、缺陷分析、材料设备选择等方面，其中约40%达到了商品化。,7,1、专家系统应用领域工艺选择与工艺制定专家系统最主要的焊接专家系统应用领域，占到所有焊接专家系统开发软件的70%左右。焊接过程实时控制专家系统焊接缺陷预测和诊断专家系统设备故障诊断计算机辅助设计专家系统 其它 焊接标准解释、
4、焊接结构安全评估、焊接冶金分析、数控切割、焊工考试等。,8,2、专家系统开发策略及开发工具,专家系统的开发一般不宜采用瀑布模型，而比较适合采用快速原型的模式进行开发。快速原型开发模式最初形成的只是一个有屏幕活动的原型，然后引入输入和输出内容，形成用户可以实际操作的软件原型。这种原型经过多次的测试和改进，逐步达到实用化。,建造专家系统的步骤,9,10,3、焊接缺陷的自动检测及发展趋势,焊缝缺陷的X射线实时自动判别系统属于复杂的模式识别领域，需要较高的硬件支持和专门的图像分析算法。,11,12,4、焊接裂纹预测及诊断专家系统,13,5.3 焊接数值模拟技术,焊接热传导分析；焊接熔池流体动力学；电弧
5、物理；焊接冶金和接头组织性能预测；焊接应力和变形；焊接过程中的氢扩散；特殊焊接过程数值分析：电阻点焊、陶瓷/金属连接、激光焊接、摩擦焊接、瞬态液相连接（TLP）等；焊接接头的力学行为。涉及电磁；传热与传质；相变；化学反应；扩散；弹塑性；蠕变；失效；断裂等。包括有限元、差分法、数据积分法和蒙特卡罗等。,14,焊接热传导的数值分析，目前尚存在的问题：材料的热物理性能数据不足。许多材料热物理参数（如比热容、热传导率、密度等）在高温特别是接近熔化状态时还是空白。热源分布参数的确定。电弧的有效加热半径及热量分布形式与焊接方法和参数有关，目前也缺乏系统而准确的资料。电弧热流通常采用高斯分布的形式，A.Go
6、ldak则提出了一个双椭圆的模型。此外，角焊缝、坡口焊缝、多层焊缝等热源分布形式也需研究。电弧功率有效利用系数的选取。电弧功率有效利用系数的正确选取是提高计算精度的措施之一。焊接熔池的处理。一般焊接热传导分析基于固体导热微分方程，没有考虑焊缝熔池内部液体金属的对流传热特点。,15,焊接冶金模拟：包括熔池中的化学成分和其它吸收？，焊缝凝固和结晶，溶质的再分配和显微偏析，气孔、夹渣和热裂纹的形成，热影响区在热循环作用下发生的相变和组织性能变化，氢的扩散和冷裂纹的预测。,Monte Carlo晶粒生长模拟结果二维模拟（上）和三维模拟（下）,16,焊接应力和变形数值模拟:包括焊接时动态的应力应变过程、
7、焊接残余应力和残余变形、应力消除处理、相变应力、三维残余应力测定的数值方法、与焊接裂纹有关的力学参量、水火弯板、薄板焊接失稳分析等。研究焊接应力和变形的数值方法有热弹塑性有限元分析、固有应变法、弹粘塑性分析、考虑相变和热应力偶合效应等。关于焊接应力和变形数值分析的研究内容十分丰富，目前已发展成为一门新的专门学科“计算焊接力学”（Computational Welding Mechanics）。,17,18,焊接热弹塑性有限元求解方法简述:进行焊接热弹塑性有限元分析时需要采用的四个基本关系：位移应变关系（几何相容性条件）；应力应变关系（物理本构关系）；力学平衡条件；边界条件。另外，还需要作一些假
8、设：如材料屈服服从米赛斯（Von Mises）屈服准则；塑性区内的行为服从流变法则并显示应变硬化；弹性应变、塑性应变与温度应变是可分的；与温度有关的力学性能数据；应力应变在小步长时间增量内呈线性变化关系。,19,热弹塑性应力有限元分析的求解过程：把构件划分成有限个单元；逐步加上温度增量（温度可由先期计算的焊接温度场得出）；每次温度增量加上后，可求出各节点的位移增量；每个单元内的应变增量和单元节点位移增量存在对应的矩阵关系，再由相应的应力应变矩阵关系就可以得到整个焊接过程中动态应力应变的变化过程和最终的残余应力和变形状态。,为了提高计算精度和稳定性，应注意采取以下若干措施：,20,采用稳定可靠的
9、计算方法，保证计算焊接温度场时的精度。高温时的材料性能。在高温下缺乏材料的实验数据，常假设材料的弹性模量和屈服应力均为很小值或为零。为防止产生卸载时应力反而增大的不合理现象，可考虑由弹性模量随温度改变而导致的应力变化应小于热膨胀引起的变化，即dE/dTE2/y。计算步长和网格划分。计算时的温度步长不能太大，通常应控制在10C以下。网格划分应考虑焊缝附近较细而远离焊缝较粗的特点，以适应温度和应力计算精度和计算时间的需要。采用缩减积分法防止“闭锁”现象。三维块体单元用于某些薄板且承受弯矩的地方，会引起“闭锁”现象。此时由于对刚度的过分估计，使计算所得变形偏小。为防止该现象，可采用缩减积分法。,21
10、,5.4 计算机在焊接设备控制和仿真中的应用 焊接设备作为焊接工艺过程的具体体现者，其可靠性、稳定性、方便性和功能性对焊接生产来说非常重要。随着计算机技术的发展，各种焊接设备的微机化、智能化成果和产品不断涌现，这是焊接设备的发展方向，也是焊接产生现代化的必然趋势。焊接设备的计算机控制是近二十年来焊接设备的研究热点之一，这些电脑控制的焊接设备就功能来分，有数控焊接电源、智能焊机、全自动专用焊机、柔性焊接机器人工作站等多种形式。,22,1、微机控制焊接电源的基本方法 经过20多年的研究和发展，各种类型的微机焊接电源（又称电脑焊接电源）不断问世，新产品越来越多，其控制技术也越来越成熟。一般来说，将普
11、通的焊接电源发展成电脑焊机涉及的基本技术有：最小微机控制系统、控制程序流程、控制算法、抗干扰措施等。上述基本技术应用到具体焊接电源后，就可发展出相应的微机控制焊机，如微机控制的晶闸管弧焊电源、晶体管弧焊电源、弧焊逆变电源、多功能弧焊电源、脉冲弧焊电源等。,23,2、焊接设备的智能控制 在微机控制焊接电源基础上已发展多种智能控制设备。除了将微机控制焊接电源与焊接过程的传感技术结合起来发展出的视觉跟踪、熔深控制等智能技术外，还有近年来发展的各种气保护焊设备的计算机智能控制技术，主要包括波控技术、脉冲焊协同（Synergic）控制技术、电弧参数模糊控制技术、一元化调节技术等。,在CO2焊和MAG焊的
12、短弧焊接过程中，实时检测焊接电压瞬时值，可以有效控制在熔滴短路过渡和电弧燃烧阶段时的焊接电流波形，来抑制焊接飞溅。,典型短路过程电流波形控制示意图,24,3、焊接设备的一元化控制技术 熔化极自动电弧焊设备的规范调节过程比较复杂。对于均匀送丝（电弧电压控制）式自动焊来说，工作点是焊接电源下降外特性曲线与电弧电压自动调节（均匀送丝）特性曲线的交点。想在调节焊接电流时还要使电弧电压值合理，就得同时调节控制盘上的电源外特性按钮和电弧电压旋钮，例如要调大焊接电流就要同时外移电源外特性曲线与下调电弧电压特性曲线，才能得到所需的焊接电流和电压值。,一元化微机控制系统（单旋钮控制系统）是解决上述问题的有效途径
13、。在这种系统中，只要通过一个旋钮来同时控制电源的输出外特性和送丝机速度，便可增大协调焊接电压和焊接电流的匹配关系。也就是说，该系统在调节焊接电流（送丝速度）的同时，已经按一个算式自动将电弧电压调节到所需要的数值。,25,目前有两种一元化控制算法：一种是电弧电压控制算法，另一种是电弧长度控制算法。电弧长度控制法是以在焊机某一使用范围内自动保持所需电弧长度为出发点的，即对任一给定的焊丝成分、焊丝直径和保护气体的组合，对应有一固定的电弧长度，如图所示。这种算法是先根据选定的焊接方法确定需要的焊接电弧长度，再选定焊接电流，然后根据类似于图那样的实验关系确定相应的焊接电压值。此后，其微机控制过程实质上与
14、电弧电压控制算法是相同的。,26,4、成套焊接设备的微机自动化控制技术 现代化焊接生产主要依靠计算机控制技术实现自动化，微机控制系统在各种自动焊接与切割设备中的作用不光是控制各项焊接参数，还能自动协调成套设备各组成部分的动作，实现无人操作。目前，国内外自动化成套焊接设备的微机控制系统，按结构和功能来分，可大致包括以下几类：a)专用设备数控系统；b)组合设备可编程位控系统；c)柔性机器人工作站集成控制系统。其中，第一类和第三类是专门为焊接和切割设备设计生产的计算机控制系统，第二类是在通用的单片机应用板、可编程控制器基础上由用户根据焊接生产需要组合起来的控制系统，其功能主要是对焊接成套设备各组成进
15、行顺序控制。,27,28,5、柔性焊接机器人工作站集成控制系统,现代的机器人大都是柔性自动化工作站，在产品改型或焊接不同产品时，只需要修改软件就可以使机器人完成新的焊接工作。这样，可以让一条机器人生产线焊接不同的产品，也可以让一台机器人用几把焊枪去完成不同的焊接工作。柔性焊接机器人工作站由焊接机器人、焊接电源、焊接工艺装备（转胎、变位器、自动夹具等）以及上下料机械手组成。由于焊接机器人内部的计算机控制系统主要设计用来控制其本身多自由度运动，再来控制其它设备的能力有限，因而已发展了专门用于柔性焊接机器人工作站的先进的集成计算机控制系统。,29,6、计算机视觉技术在焊接中的应用,计算机视觉以信息量
16、大、精度高、检测范围大等特点，为实现焊接操作自动化提供了有力手段。借助CCD摄像机，红外摄像仪，X光探伤仪，高速摄像机等图像传感设备及智能化的图像处理方法，许多机器人及特定的自动焊机也具备了一定的视觉功能，它们不仅可以模拟熟练焊工的视觉感知能力，而且可以超越人的局限。完成诸如：获取并处理强弧光及飞溅干扰下的焊缝图像，实时提取焊接熔池特征参数，预测焊接组织、结构及性能等工作，实现人类难以直接作业的特殊场合（如水下、空间核辐射环境等）的自动焊接施工，确保焊缝质量的稳定性和可靠性。,30,具有视觉功能的机器人已经应用于汽车、航天和重型构件的生产用于锅炉、管道、大型球罐的焊接生产。,激光光学扫描式一维视觉传感系统原理图,由二维视觉传感系统取得的CO2焊熔池图像,31,5.5 计算机技术的新发展对焊接工程的未来推动作用,32,3、网络技术与未来的焊接技术焊接生产过程的网络信息化 在企业内部利用Intranet内部网可从根本上改变企业的管理经营模式。设想中的焊接CIMS系统包括机器人控制部分、生产调度部分、办公部分、生产一线的生产和传送控制部分等，将实现无人车间的生产流水化。网络上的大量焊接专业信息。,33,世纪之问：1、焊接是科学还是技艺？2、焊接的挑战究竟在哪？,
